دانلود مقاله تولید آهن به روش اسفنجی

بخشی از مقاله

مقدمه
از بين روشهاي صنعتي احياي مستقيم كانه هاي آهن كه از گاز طبيعي استفاده مي كنند ، توليد اهن اسفنجي به روش ميدركس توسعه چشم گيري داشته است . باردهي مداوم آهن اسفنجي به صورت سرد يكي از روش ميدركس مي باشد . واحدهاي متعددي به اين روش در دهه اخير در كشورهاي مختلف تاسيس و شروع به كار كرده اند .

ابداع روش ميدركس به وسيله D .Beggs w .t .marton و تحقيقات لازم براي توسعه آن از سال 1965 ميلادي درشركت  ميدلند- روس انجام گرفت . در سال 1976 ميلادي يك واحد احياي مستقيم آزمايشي با توليدي برابر 5/1 تن آهن اسفنجي در ساعت در توله دو واقع در اوهيو و سپس واحد ديگري به ظرفيت ساليانه 150هزار تن در پرتلند ، آمريكا تاسيس شد كه در سال 1969 ميلادي شروع به توليد كرد . متعاقباً ، واحدهاي ديگري در چرجتاون آمريكا و در كارخانه فولادسازي هامبورگ، تاسيس شدند كه در سال 1971 ميلادي راه افتادند . واحد بعدي سيدبك رد كانادا بود كه در سال 1973 ميلادي راه اندازي شد . در ژانويه 1974 ميلادي ، اجازه ساخت كارخانه هاي توليد آهن اسفنجي به روش ميدركس به گروهفولاد كورف واگذار شد.

در كشورهاي پيشرفته صنعتي مانند آمريكا و آلمان فدرال، كانادا ، اتحاد جماهير شوروي و نيز كشورهايي كه داراي منابع غني گاز طبيعي هستند ، در دهه گذشته از توليد آهن اسفنجي به روش ميدركس استقبال كرده اند .
مضافاً به اينكه ابعاد و ظرفيت توليد آهن اسفنجي كوره هاي احيا در واحدهاي ميدركس گسترش چشمگيري يافته است و مثلاً قطر كوره  احيا در مدول 200 ، 6/3 متر ، قطر كوره احيا در مدول 400 ، 88/4 متر ، ظرفيت روزانه نسل اول آن مدول 1000 و ظرفيت روزانه نسل دوم آن 1250 تنبودهاست اما قطر كوره احيا در مدول 400 به 5/5 متر و ظرفيت روزانه آن به حدود 1700 تن اهن اسفنجي افزايش يافته است . به عقيده سازندگان واحدهاي ميدركس  گسترش ظرفيت كوره هاي احيا به دلايل اقتصادي ممكن مي باشد . گرچه در اين زمين دلايل كافي در دست نيست ولي اين امر طبيعي به نظرمي رشد .در اغلب روشهاي صنعتي توليد آهن اسفنجي به روش ميدركس ، گاز طبيعي به عنوان عامل احيا كننده و گرما زا مصرف مي شود .

يك واحد ميدركس از دو قسمت اصلي تشكيل مي شود :
قسمت اول ، تجهيزات لازم براي تبديل گاز طبيعي به گاز احيا كننده .
قسمت دوم ،تجهيزات لازم براي احياي كسيدهاي آهن توسط گاز احيا كننده .

 توليد آهن اسفنجي  گاز احيا كننده به روش ميدركس مداوم است . درزير باختصار تجهيزات واحدهاي ميدركس تشريح مي شود .
ذكر اين نكته ضروري است كه چون تجهيزات واحدهاي مختلف و نيز ويژگي احيا به اين روش در دهه گذشته تغييرات زيادي داشته لذا خصوصيات ارائه شده در زير مربوط به واحدهايي است كه ويژگي آنها در منابع منتشر شده و براي كليه واحدهاي ميدركس عموميت ندارد .
تجهيزات انتقال بار به كوره احيا و تخليه آهن اسفنجي از كوره به روش ميدركس در سيستم ميدركس ، بار گندله يا سنگ آهن خرد شده پيش از ورود به سيلوهاي روزانه سرند مي شوند. دانه بندي بار براي كوره از اين قرار است :
بار درشتر از 50 ميليمتر
بار بيشتر از 6تا50 ميليمتر
بار بين 3 تا 6 نيليمتر
و بار زير 3 ميليمتر

بار با دانه بندي 6 تا 50 ميليمتر و 3 تا 6 ميليمتر به نسبت معيني در كوره احيا تغذيه مي شود . براي دانه بندي گندله و يا سنگ آهن خرده شده و به روش ميدركس تجهيزاتي پيش بيني شده است . همچنين آهن اسفنجي توليد شده در كوره احيا پيش از ورود به سيلوها و مصرف مستقيم سرند مي شوند و نرمه آن در برخي از واحدها به خشته تبديل شده و در برخي مستقيماً در كوره هاي قوس الكتريكي به مصرف       مي رسد . طرح برخي از تجهيزات انتقال گندله و سنگ آهن خرد شده به كوره و نيز آهن اسفنجي به صورت گندله و يا كلوخه در مي آيد .

در يك ميدركس بار به وسيله نوار نقاله از سيلوهاي روزانه به مخزن تغذيه قيف مانندي كه در بالاي كوره قرار گفته ،تخليه ميگردد . اين مخزن در واحدهاي ميدركس مستقر در مجتمع فولاد اهواز 75 متر مكعب گنجايش دارد . هنگامي كه نوار نقاله كار نمي كند ، گندله اين مخزن به عنوان ذخيره مورد استفاده قرار مي گيرند .ضمناً گندله مي تواند توسط يك اسكيپ بالا برنده (به جاي نوار نقاله ) در اين مخزن تخليه گردد .
سطح مواد در مخزن بالاي كوره از طريق ميله اي راديو اكتيو تعيين مي گردد. اين ميله از طرفي با سطح بار و از طرف ديگر با سيستم كنترل در تماس مي باشد و سطح بار به طور اتوماتيك اندازه گيري مي گردد .

در صورتي كه گندله در اين مخزن در چهار سطح زير باشد . سيستم كنترل علائم هشدار دهنده ذيل را مخابره مي كند :
1-بالاترين سطح بار:         اخطار داده مي شود
2-پر                   :      دستور توقف نوار نقاله تغذيه كننده بار به مخزن صادر
                                مي گردد.
3-خالي               :    دستور كارنوار نقاله تغذيه كننده باربه مخزن صادر ميشود .
4-پايين ترين سطح:   تخليه كوره متوقف و اخطار لازم داده مي شود .

مخزن بالاي كوره توسط لوله نسبتاً طويلي به قسمت توزيع كننده بار (آپولو) ارتباط دارد. چون مخزن تغذيه بار در بالاي موره روباز است ، لذا براي جلوگيري از داخل كوره جريان دارد و فشارآن به طور اتوماتيك كنترل مي گردد . به اين وسيله از نشت گاز احيا كننده كوره به خارج جلوگيري به عمل مي آيد . گاز خنثي نيز به علت طويل بودن لوله هاي رابط بين مخزن تغذيه بار و 12 لوله توزيع كننده بار در كوره به خارج كوره نفوذ نمي كند .

مضافاً به اينكه زير مخزن تجهيزاتي براي آب بندي گاز پيش بيني شده است كه از اين قرار مي باشند :
1-    دريچه كشوئي هيدروليكي كه در هنگام خالي شدن مخزن به طور اتوماتيك بسته مي شود و از خروج گاز به خارج جلوگيري به عمل     مي آورد .
2-    فلانچها كه براي جلوگيري از خروج گاز نصب شده و در مواقع اضطراري آنها به وسيله بازوي هيدروليكي از هم باز و يك صفحه به وسيله دست بين آنها قرار داده مي شود .
3-    يك كمپنزاتور كه براي تعديل انبساط حرارتي كوره پيش بيني شده است .
توزيع يكنواخت گدله در كوره احيا براي جريان يكنواخت گاز احيا كننده در بين گندله ها  از اهميت خاصي برخوردار است . با احياي بار گندلهدر كوره ، درجه فلزي آن بالا مي رود ، درجه فلزي آهن اسفنجي توليد شده در كورههاي ميدركس حدود 92 در صد و اكسيد آهن احيا نشده در آهن اسفنجي به صورت وسيت مي باشد .

در شروع راه اندازي كوره احيا ، بار به ميزان كافي احيا نمي گردد . لذا درجه فلزي آهن اسفنجي توليد شده كافي نيست به اين علت بار مجدداً به كوره برگشت داده مي شود . مسير جريان بار برگشتي به كوره نيز مي شود .
گندله هاي آهن اسفنجي سرد پس از خروج از كوره سرند مي گردند . ميزان نرمه آهن اسفنجي زير 5 ميليمتر در روند احيا به روش ميدركس حدود 2/0 در صد است . نرمه مي تواند مستقيماً يا پس از خشته شدن در واحد فولاد سازي مصرف مي گردد . آهن اسفنجي درشتر از 50 ميليمتر خرد و همراه ساير گندله ها به مخزن ذخيره حمل ودر آنجا انبار مي شوند . طرح تجهيزات دانه بندي گندله هاي آهن اسفنجي  داده شده است .  همچنين سيلوهاي ذخيره آهن اسفنجي ديده مي شود . در اين مخازن براي جلوگيري از اكسايش گندله ها ، گازي خنثي جاري است .

تجهيزات كوره احيا به روش ميدركس
واحدهاي صنعتي احياي مستقيم كه به روش ميدركس آهن اسفنجي توليد مي كنند در دهه گذشته به سرعت تكامل يافته اند . در اين بخش كوشش مي شود باختصار تجهيزات كوره هاي توليد آهن اسفنجي به روش ميدركس كه مشابه آنها در مجتمع فولاد اهواز مستقر هستند و يا در مباركه مستقر خواهند شد بررسي شود .

كوره احيا به روش ميدركس
كوره احيا در روش ميدركس از يك قسمت فوقاني و يك قسمت تحتاني تشكيل شده است . قسمت فوقاني كوره كه منطقه اصلي احيا    مي باشد، استوانه اي به قطر 8/4 تا 5 متر و ارتفاع 9 متر است كه حجم مفيد آن حدود 220 متر مكعب مي باشد ، اما كل ارتفاع كوره 12 تا 14 متر مي باشد .
بار به صورت سنگ آهن خزد شده يا گندله سنگ آهن از بالاي كوره به طرف پايين جريان داشته و در مدتي حدود 5/6 ساعت در منطقه  احيا به وسيله گاز احيا كننده به اهن اسفنجي تبديل مي شود . گاز احيا كننده از بالاي كلوخه شكنهاي فوقاني ازطرق لوله كمربندي وارد كوره شده ودرخلاف جهت نزول بار ، جريان مي يابد . گاز كم كم سرد و پس از حذف رطوبت گندله ، آن را احيا و خود تا اندازه اي اكسيد مي شود . طرح لوله كمربندي براي توزيع گاز احيا كننده در كوره آمده  است .

درجه حرارت و فشار در كوره احيا
احياي اكسيدهاي آهن به روش ميدركس به طور كلي بر اساس واكنش زير انجام مي شود :
1-    Fe2o3 +3h2 = 2fe+3H2O
2-              Fe2o3+3co=2fe+3vo2
جداره داخلي كوره توسط نسوزهاي مقاوم در برابر سايش و مواد عايق پوشانده شده است تا از تلفات حرارتي كوره تا اندازه اي كاسته شود، مع هذا دماي ديواره خارجي كوره حدود 100 درجه سانتيگراد مي باشد . تغيير دمادر طول كوره احيا به صورت شماتيك نشان داده شده است.ملاحظه مي گردد كه درجه حرارت در قسمت عمده طول كوره تا اندازه اي ثابت مي باشد .
دماي احيا در كوره ميدركس به وسيله حرارت گاز احيا كننده تنظيم مي گردد .درجه حرارت از طريق دما سنج هايي كه در سه ناحيه كوره مستقر هستند ، اندازه گيري ودماي كوره به طور خودكار تنظيم مي گردد كه حدود 760 درجه سانتيگراد مي باشد . فقط در قسمت بالاي كوره يعني جايي كه گندله هاي سرد وارد كوره مي شوند ،درجه حرارت به شدت كاهش مي يابد به طوري كه دماي گاز خروجي از كوره حدود 450 درجه سانتيگراد است  .

فشار گاز در داخل كوره در حين توليد بالاتر از فشار محيط و بالغ بر 8/1 بار است . براي جلوگيري از مخلوط شدن گاز سرد كننده آهن اسفنجي و گاز احيا كننده ،فشار گاز سرد كننده در محل خروج توسط يك سيستم كنترل و برابر فشار گاز احيا كننده ورودي به كوره مي گردد .

توزيع گاز سرد كننده آهن اسفنجي در كوره احيا
درجه تخلخل آهن اسفنجي زياد است لذا امكان اكسايش مجدد آهن اسفنجي گرم ، در هوا وجود دارد . به اين علت آهن اسفنجي در قسمت تحتاني كوره توسط گاز سرد كننده اي خنك مي گردد تا از فعاليت آن كاسته شود . در اين قسمت امكان توليد دوده و تشكيل سمانتيت در سطح آهن اسفنجي وجود دارد :
3-    3fe +co+H2=Fe3c +H2o

براي توليد آهن اسفنجي با كربن پايين بايد گاز احيا كننده فاقد متان بوده و تركيب آن مناسب باشد . قسمت تحتاني كوره در واحد ميدركس به شكل مخروطي ناقص ساخته شده است . در اين قسمت آهن اسفنجي به وسيله گاز سرد كننده اي كه در مداري بسته جريان دارد ، خنك شده و با دمايي حدود 30 تا 50 درجه سانتيگراد از كوره خارج مي گردد .
توزيع كننده گاز سرد در كوره از يك سري لوله هايي با قطرهاي متفاوت كه درون يكديگر قرار گرفته اند ، تشكيل شده است .
براي سرد شدن يكنواخت گندله ها ، فشار گاز سرد كننده به نحوي تنظيم مي گردد كه گندله هلاي ميان كوره به طرف ديواره كوره هدايت گردند تا فرصت كافي براي خنك شدن داشته باشند. گاز سرد كننده كه توسط آهن اسفنجي تا حدود 400 درجه سانتيگراد سرد مي شود پس از خروج از كوره با آب  شسته مي شود تا دماي آن به حدود 40 درجه سانتيگراد برسد . سپس مجدداً توسط كمپرسوري متراكم مي گردد و به توزيع كننده گاز برگردانده مي شود  . توضيح اينكه زمان مكث آهن اسفنجي در قسمت سرد كننده كوره حدود 5 ساعت مي باشد .

خوشه شكنهاي كوره احيا
به علت تماس و فشار مكانيكي گندله هاي آهن اسفنجي به يكديگر در درون كوره احيا چسبيدن آنها به يكديگر و تشكيل خوشه هاي آهن اسفنجي ممكن مي باشد. لذا براي خرد كردن خوشه هاي آهن اسفنجي احتمالاً تشكيل شده و نيز تنظيم يكنواخت جريان بار در كوره ، در قسمت تحتاني كوره در سه محل بترتيب زير هفت خوشه شكن نصب شده است :
1-    سه خوشه شكن فوقاني
2-    سه خوشه شكن وسطي
3-     يك خوشه شكن پائيني

كلوخه شكنهاي بالايي به علت درجه حرارت زياد در كوره توسط آب سرد مي گردند در صورتي كه خوشه شكنهاي وسطي و پائيني نيازي به سرد شدن ندارند . مكانيسم حركت خوشه شكنها هيدروليكي و زاوايه چرخش آنها به طور دوراه اي 5/22 درجه به راست و 5/22 درجه به چپ مي باشد .  براي اينكه خوشه شكنها بيش از حد لازم آهن اسفنجي را خرد نكنند و سايش آنها و گندله ها حداقل باشد ، سرعت چرخش آنها با سرعت جريان مواد در كوره هماهنگ مي گردد . كلوخه شكنها نه تنها خوشه هاي آهن اسفنجي را خرد مي كنند بلكه سرعت جريان بار در كوره را تنظيم     مي كنند.

پاروي تخليه آهن اسفنجي در كوره ميدركس
سرعت تخليه آهن اسفنجي از كوره توسط پارويي كه در پائين ترين قسمت كوره احيا نصب شده است و حركت چرخشي رفت و برگشتي دارد، تنظيم مي گردد .هرچه سرعت حركت پارو بيشتر باشد ،سرعت تخليه مواد از كوره سريعتر خواهد بود . سرعت حركت پارو با چرخش خوشه شكنهاي وسطي و پائيني هماهنگي مي باشد .

توليد گاز احيا كننده به روش ميدركس
اكسايش جزيي گاز طبيعي در روش ميدركس براي توليد گاز احيا كننده با قسمتي  از گاز خروجي كوره احيا به طور مداوم به صورت ركوپراتيو در راكتور توليد گاز (رفورمر) انجام مي شود . به اين وسيله گاز طبيعي كه قسمت عمده آن متان است با عوامل اكسيد كننده گاز خروجي كوره احيا كه از هيدروژن اكسيد كربن ، بخار آب ،گاز كربنيك و متان تشكيل شده به صورت جزيي اكسيد شده و به طور عمده به هيدروژن و اكسيد كربن تبديل مي شود .

 واكنش كلي اكسايش جزيي متان چنين است :
4-    CH4+H2O =3H2+CO
5-     CH4+CO2=2H2 +2CO

بديهي است تركيب گاز توليد شده بستگي به دما ، فشار، نسبت عوامل اكسيد كننده و نيز بازده واكنشها دارد . چون براي اكسايش جزيي گاز طبيعي به بهره مناسب به دماي بالا نياز است ، لذا مقداري حرارت به طور دائم به راكتور توليد گاز احيا كننده داده مي شود .

ساختمان راكتور توليد گاز احيا كننده به روش ميدركس
راكتور توليد احيا كننده به روش ميدركس به شكل مكعب مستطيل طراحي شده است . طول آن حدود 40 متر ، عرض آن 10 متر و ارتفاع آن 8 متر مي باشد . ديواره اين راكتور با آجرهاي مخصوص عايق بندي شده است ، مع هذا دماي بدنه خارجي آن حدود 100 درجه سانتيگراد مي باشد .
در اين راكتور 288 لوله فولادي در چهار رديف 72 تايي قرار دارد كه درون آنها با سفال و كاتاليزور پر شده است . اين لوله ها به طور عمودي و به فواصل معين در راكتور قرار دارند ظرفيت راكتورهاي توليد گاز احيا كننده به تعداد ، ابعاد و ويژگي كاتاليزورها درون آن بستگي دارد .
چون توليد گاز احياي كننده از مخلوط گاز طبيعي وگاز خروجي كوره احيا ،گرما گير و دماي 750مناسب درجه سانتيگراد مي باشد .لذا بايد به طور مداوم حرارت به راكتور داده شود . به اين منظور راكتور توليد گاز احياي كننده توسط مشعلهايي گرم مي شود به راكتور گاز در راكتور به حدود 900 درجه سانتيگراد رسانده مي شود . مجموعاً 120 مشعل اصلي در رديف 5 در كف راكتور بين لوله ها و مجموعاً 48 مشعل كمكي در سه رديف و در بين مشعلهاي اصلي قرار گرفته اند . مشعلهاي كمكي براي تنظيم دماي راكتور در نظر گرفته شده اند .
دود حاصل از احتراق سوخت مشعلها توسط دو كانال با دماي 1100 درجه سانتيگراد از راكتور خارج و با بازياب حرارتي وارد مي گردد . گاز سوخت مشعلها ، هواي سوخت آنها و مخلوط گاز طبيعي و گاز خروجي كوره (پروسس گاز) هر يك توسط دو لوله اصلي يه مشعلها و لوله هاي راكتور وارد و گاز احيا كننده توليد شده توسط دو لوله اصلي جمع و به كوره احيا انتقال مي يابد .

لوله هاي راكتور گاز احيا كننده به روش ميدركس
لوله هاي فولادي درون راكتور توليد گاز احياي كننده در واحد ميدركس در مجتمع فولاد اهواز با قطر داخلي 200 ميليمتر و ضخامت 11 ميليمتر ، 9 متر طول دارد كه 8 متر از طول آنها در معرض حرارت قرار دارند .
لوله ها توسط شيلنگهاي انعطاف پذير از پايين به يكي از دو لوله اصلي توزيع كننده مخلوط گاز طبيعي وگاز خروجي كوره و از بالا به يكي از دو لوله اصلي گاز احيا متصل مي باشند . از هر لوله اصلي توزيع كننده 144 شيلنگ منشعب مي گردد . براي جلوگيري از نشت گاز به خارج محل اتصال آنها به لوله هاي اصلي ، آب بندي مي باشد . يكي از لوله هاي راكتور توليد گاز احيا كننده و نيز شيلنگهاي اتصال آن به لوله توزيع مخلوط گاز و لوله هاي راكتور توليد گاز احيا كننده و نيز شيلنگ هاي اتصال آن به لوله توزيع مخلوط گاز احيا كننده نشان داده شده است .
اين لوله ها از فولاد فوق العاده مقاوم دربرابرحرارت با 35درصد نيكل ،25درصد كروم ، كربن بالا به علاوه نيوبيوم ريخته و سپس به يكديگر جوش داده مي شوند .براي جلوگيري از خووردگي درون آنها قسمت داخليشان كاملاً ماشينكاري شده است .

كنترل راكتور توليد گاز احيا كننده (رفورمر) به روش ميدركس
براي تامين گرماي لازم در راكتور مشعلهايي نصب شده كه لوله هاي فولادي را احاطه كرده اند . مشعلها دو نوع هستند . يك نوع در بين ديواره راكتور و لوله ها قرار دارند كه اصلي هستند و سوخت آنها مخلوط گاز طبيعي وگاز خروجي كوره احياست . با تغيير ميزان در صد گاز طبيعي درسوخت اين مشعلها مي توان دماي راكتور را تنظيم كرد . مشعلهاي نوع دوم كه كمكي هستند ، در سه رديف و بين مشعلها مي توان دماي اصلي قرار گرفته اند . در موقع راه اندازي راكتور و نيزدر شرايط اضطراري مثلاً در موقع تعمير برخي از لوله ها كه گاز به طور موضعي در آنها جاري است و تنظيم موضعي درجه حرارت ضروري مي باشد ، آنها كار مي كنند و سوختشان گاز طبيعي است .
در داخل اتاق احتراق راكتور توليد گاز احيا كننده (رفورمر) ، فشار مكش حكم فرما مي باشد و تحت اين شرايط در صورت نشتي در راكتور هوا به داخل آن نفوذ مي كند و عواقب نا مطلوبي ندارد . اما برعكس در صورت وجود اضافه فشار نسبت به خارج آن ، دود اتاق احتراق مي تواند به خارج نشت كرده و عواقب نا مطلوبي به همراه داشته باشد .
معمولاً براي سوختن گازها از هواي اضافي استفاده مي گردد . اگر هواي اضافي بيش از حد مطلوب باشد گاز هاي حاصل از احتراق داراي مقداري اكسيژن خواهند بود ، برعكس اگر هواي لازم كافي نباشد احتراق به طور كامل انجام نخواهد گشت ، در هر دو حالت سيستم با اشكالاتي همراه خواهد شد .